KExNuMe-KSS: Kopplung experimenteller und numerischer Methoden zur mehrskaligen Analyse der Wirkmechanismen von Kühlschmierstrategien in Zerspanprozessen

Der effiziente Einsatz von Kühlschmierstoffen bedarf einem tiefergehenden Verständnis der zugrundeliegenden Wirkmechanismen hinsichtlich Spanabtransport, Kühlung und Beeinflussung der Reibbedingungen. Zur Prognose und zielgerichteten Nutzung dieser Effekte, ist eine Abbildung der Mechanismen in Prozesssimulationen erforderlich. Neben Kenntnissen über den prozesstechnischen Aspekt des Spantransports und die makroskopische Kühlwirkung, stellen die Ausprägung und Beschaffenheit des Schmierspalts und die Kühlbedingungen im Bereich der sekundären Scherzonen an Frei- und Spanfläche, also in direkter Nähe zur Materialtrennung, fundamentale wissenschaftliche Fragestellungen innerhalb der Fertigungstechnik dar. Insbesondere in diesen Bereichen wird ein hoher Anteil der in der Zerspanung anfallenden Wärmeenergie erzeugt, sodass die lokalen Reibungsphänomene wesentlichen Einfluss auf die resultierende Randzone des erzeugten Bauteils, die thermomechanische Belastung des Werkzeugs und damit der Produktivität nehmen. Aktuell bestehen zur Abbildung und Prognose des Schmierspalts keine numerischen Modelle und Methoden, die im Sinne einer zielgerichteten Auslegung der KSS-Versorgung genutzt werden können. Die Originalität des hier beantragten Vorhabens besteht darin, dass numerische Methoden aus dem Bereich der Tribologie von Maschinenelementen, die in dieser Disziplin bereits zu wesentlichem Erkenntnisgewinn geführt haben, auf die Zerspanung übertragen und an bereits in der Zerspanung etablierte Simulationsansätze gekoppelt werden. Dazu werden in der ersten Phase des Schwerpunktprogrammes durch das beantragte Teilprojekt die experimentellen Grundlagen zu den Reib- und Schmierbedingungen in der Zerspanung und deren Beeinflussung durch Kühlschmierstoffe gelegt. Diese werden genutzt, um eine Übertragung von Simulationsansätzen aus der Maschinentribologie auf die Zerspanung zu erzeugen. Die erzielten Erkenntnisse über die zu berücksichtigenden Randbedingungen (z. B. Oberflächentopologien, Stoffeigenschaften des Kühlschmiermittels) sollen in der zweiten Phase des Förderprogrammes auf gekoppelte, multiskalige Simulationsansätze führen, die Makroskala konventioneller Prozesssimulationen mit der Mikroskala der Tribologie vereinen. In der dritten Phase wird das gekoppelte Simulationsmodell angewendet, um Werkzeuge und Zerspanprozesse, insbesondere bei der Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe, zu optimieren.